DE10233912A1

DE10233912A1 - Disk spring for machine tool spindles is shaped like cable drum, tubular central section deforming under load, so that its flanges slope downwards towards center

Info

Publication number: DE10233912A1
Application number: DE2002133912
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. Reul; Matthias Herrmann
Original assignee: ORTLIEB PRAEZ S SPANNZEUGE GMB; Ortlieb Prazisions-Spannzeuge and Co GmbH; PRETECH PREDICTIVE DESIGN TECH; PRETECH PREDICTIVE DESIGN TECHNOLOGIES GmbH
Current assignee: ORTLIEB PRAEZ S SPANNZEUGE GMB; Ortlieb Prazisions-Spannzeuge and Co GmbH; PRETECH PREDICTIVE DESIGN TECH; PRETECH PREDICTIVE DESIGN TECHNOLOGIES GmbH
Priority date: 2002-07-25
Filing date: 2002-07-25
Publication date: 2004-02-19

Abstract

The disk spring is shaped like a cable drum. The tubular central section (11) deforms under load, so that its flanges (8) slope downwards towards the center.

Description

Die Erfindung betrifft ein elastisch verformbares, im wesentlichen rotationssymetrisches ringförmiges Maschinenelement mit einer zentralen zylindrischen Bohrung, mit der es auf ein zylinderförmiges Bauelement aufsetzbar ist.The invention relates to an elastic deformable, essentially rotationally symmetrical annular machine element with a central cylindrical bore with which it is attached to a cylindrical component is attachable.

Ein solches Maschinenelement ist bekannt z. B. in Form von Tellerfedern, die rotationssymmetrische ringförmige Maschinenelemente mit im wesentlich rechteckigen Querschnitten und außen kegelförmigen Formen sind. Wird eine solche Tellerfeder, um eine Kraftwirkung zu erzielen, flachgedrückt, so erhöhen oder verringern sich – je nach geometrischer Ausgestaltung – die Innen- und Außendurchmesser um erhebliche Beträge. Somit sind stets relativ große Maßtoleranzen beim Einbau von Tellerfedern um Wellen und in Bohrungen zu berücksichtigen. Die gilt – mehr oder weniger – auch für alle anderen bekannten Arten von Federn (z.B. Schrauben- und Ringfedern). Das Einhalten einer Passung oder Zentrierwirkung ist hier nicht möglich.Such a machine element is known z. B. in the form of disc springs, the rotationally symmetrical annular Machine elements with essentially rectangular cross sections and Outside conical Shapes are. Such a disc spring to a force effect to achieve, flattened, so increase or decrease - each according to geometric design - the inside and outside diameter around significant amounts. This means that there are always relatively large dimensional tolerances when installing disc springs to take shafts and holes into account. That applies - more or less - too for all other known types of springs (e.g. coil and ring springs). Maintaining a fit or centering effect is not here possible.

Dies ist z.B. bei nachfolgender Anwendung äußerst problematisch: Spindeln für Werkzeugmaschinen werden intern mit Tellerfederpaketen verspannt. Bei niedrigen Drehzahlen ist das radiale Verschieben der Tellerfedern noch nicht problematisch. Bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten von z.B. 30.000 UpM jedoch entsteht eine erhebliche Unwucht, die in Schäden und/oder unpräziser Werkzeugführung resultiert.This is e.g. extremely problematic with the following application: Spindles for Machine tools are clamped internally with disc spring assemblies. At low speeds is the radial displacement of the disc springs not problematic yet. At high rotation speeds of e.g. 30,000 rpm, however, creates a significant imbalance, which in damage and / or less precise tool guide results.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Schaffung eines elastischen Maschinenelements, das sich beim Zusammendrücken in Achsrichtung in radialer Richtung praktisch nicht bewegt, also eine Passung ermöglicht und sogar zusätzlich eine Zentrierung eröffnet.The object of the invention is therefore in the creation of an elastic machine element that when squeezing practically not moved in the axial direction in the radial direction, that is enables a fit and even an additional one Centering opened.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß die rotationssymmetrische Feder im wesentlichen einen U-förmigen Querschnitt aufweist. Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der Quersteg des U innen angeordnet, und die zentrale Bohrung wird erfindungsgemäß noch mit einer geeigneten flachen tonnenförmigen Mulde ausgedreht. Eine ähnliche Wirkung kann auch bei einer Ausführungsform erzielt werden, bei der sich der Quersteg des U außen befindet und die Schenkel des U nach innen gerichtet sind. In diesem Falle kann der Quersteg außen mit der tonnenförmigen Einschnürung versehen sein. Die beiden Schenkel des U-Querschnitts können zum äußeren Rand hin z.B. leicht auseinander streben und/oder sind parallel. Vorteilhafterweise besitzen sie am Rand einen Absatz, dessen Höhe in etwa dem maximalen Federweg entspricht. Optional sind die Enden der Schenkel zusätzlich so geformt, daß bei der Federverformung in achsialer Richtung keine nennenswerten radialen Verschiebungen auftreten. Damit kann dann eine zusätzliche Zentrierung erreicht werden. Die tonnenförmige Mulde auf der inneren Bohrung wird so ausgelegt – z.B. durch eine FEM-Analyse -, daß an einem oberen und unteren Fußpunkt der Schenkel beim Belasten der Feder keine oder eine sehr geringe radiale Verschiebung entsteht. Analysen zeigen, daß Radienänderungen auf ca. ±2 μm bei Baugrößen von z.B. ca. 35 mm Außendurchmesser begrenzt werden können. Damit ist dann eine Passung realisierbar. Bei der Auslegung der äußeren Schenkelkanten ist ebenfalls eine FEM-Analyse notwendig, um den genauen Verformungsweg zu ermitteln und durch geeignete Konturformung die radiale Verschiebung zu minimieren. Hier werden Toleranzen von besser ±5 μm erwartet. Dann ist eine Zentrierwirkung realisierbar.The solution according to the invention is that the rotationally symmetrical Spring essentially a U-shaped Has cross-section. In one embodiment of the invention, the crossbar of the U arranged inside, and the central bore is still according to the invention a suitable flat barrel-shaped Hollow turned out. A similar Effect can also be in one embodiment can be achieved in which the crossbar of the U is outside and the legs of the U are facing inwards. In this case can the crossbar outside with the barrel-shaped Constriction his. The two legs of the U-section can e.g. slightly apart strive and / or are parallel. They advantageously have on the edge of a paragraph, its height corresponds approximately to the maximum travel. The ends are optional the thigh additionally shaped so that at the spring deformation in the axial direction no significant radial Shifts occur. This can then be an additional Centering can be achieved. The barrel-shaped hollow on the inside Hole is designed in this way - e.g. by an FEM analysis - that at an upper and lower foot point the leg no or very little radial displacement when loading the spring arises. Analyzes show that changes in radius to approx. ± 2 μm for sizes of e.g. approx. 35 mm outside diameter can be limited. A fit can then be achieved. When designing the outer leg edges FEM analysis is also necessary to determine the exact deformation path to determine and by suitable contour shaping the radial displacement to minimize. Tolerances of better than ± 5 μm are expected here. Then a centering effect can be realized.

Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, daß das Maschinenelement im Querschnitt nicht die exakte Form eines U's mit entsprechend scharfen Ecken und Kanten hat, sondern daß alle Übergänge mit geeigneten Radien abgerundet sind. Auf diese Weise werden lokale Spannungsspitzen vermieden und es kann eine hohe Lebensdauer realisiert werden.It is expediently provided that this Cross section of the machine element is not the exact shape of a U. with correspondingly sharp corners and edges, but that all transitions with suitable radii are rounded. This way, local Voltage peaks are avoided and a long service life can be achieved become.

Zweckmäßigerweise besitzt das Maschinenelement auch eine behandelte Oberfläche. So könnte es korrosionsgeschützt sein oder aber mit einer Beschichtung versehen sein, durch die z.B. die Gleitfähigkeit erhöht wird. Die Beschichtung kann ebenfalls elastisch sein. Denkbar ist somit auch die gleichzeitige Anwendung des Maschinenelementes als Dichtung.The machine element expediently has also a treated surface. It could protected against corrosion be or be provided with a coating through which e.g. the lubricity elevated becomes. The coating can also be elastic. Is conceivable thus also the simultaneous use of the machine element as Poetry.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, das es radiale Schlitze geeigneter Dimensionen aufweist. Mit diesen Schlitzen kann die Steifigkeit der Feder herabgesetzt werden. Eine Erhöhung der Steifigkeit kann durch die Steigerung der Dicken der Schenkel erreicht werden. Die Steifigkeit kann schließlich auch die Wahl geeigneter Federmaterialien erfolgen. Normalerweise wird aber ein Federstahl eingesetzt.Another advantageous embodiment draws is characterized by the fact that there are radial slots of suitable dimensions having. The stiffness of the spring can be reduced with these slots become. An increase The stiffness can be increased by increasing the thickness of the legs can be achieved. Finally, the stiffness can also be the more suitable choice Spring materials are made. Usually, however, a spring steel used.

Die Abmessungen eines solchen Maschinenelements sind beliebig und werden nur durch die zu erzielende Steifigkeit und den zur Verfügung stehenden Einbauraum bestimmt. Die tonneförmige Mulde in der zentralen Bohrung weist eine relativ geringe Tiefe auf und richtet sich nach der maximalen radiale Verformung der Bohrungswand bei maximaler Last.The dimensions of such a machine element are arbitrary and are only achieved through the rigidity to be achieved and the available standing installation space determined. The barrel-shaped hollow in the central one Bore is relatively shallow and conforms the maximum radial deformation of the bore wall at the maximum Load.

Der Anstellwinkel und die Dicken der Schenkel bestimmen – wie bei Tellerfedern – die Form der Federkennlinie. In der Regel werden lineare Kennlinien bevorzugt. Es sind aber auch progressive oder gar degressive Kennlinien – auch mit sprunghaften Änderungen – möglich. Die Verringerung der Gesamt-Federsteifigkeit einer Konstruktion kann durch das Stapeln der Federn erreicht werden.The angle of attack and the thickness the thigh determine - how for disc springs - the Shape of the spring characteristic. As a rule, linear characteristic curves prefers. But there are also progressive or even degressive characteristics - also with abrupt changes - possible. The Can reduce the overall spring stiffness of a construction can be achieved by stacking the springs.

Eine erste konkrete Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß der Außendurchmesser etwa 30 bis 40 mm, der Innendurchmesser etwa 10 bis 20 mm, die unbelastete Bauhöhe etwa 8 bis 15 mm beträgt. Die Schenkeldicke beträgt etwa 0,5 bis 2 mm und die Tiefe der tonnenförmigen Mulde erreicht etwa 10 bis 30 μm. Das Teil wird durch Drehen von Federstahl gefertigt.A first concrete embodiment is characterized in that the outer diameter is approximately 30 to 40 mm, the inner diameter is approximately 10 to 20 mm, the unloaded height is approximately 8 to 15 mm. The leg thickness is about 0.5 to 2 mm and the depth of the barrel-shaped trough reaches about 10 to 30 μm. The part is made by turning spring steel.

Mit der bisher beschriebenen Ausführungsform wird erreicht, daß das Maschinenelement unabhängig von der angewendeten Federkraft in der inneren Bohrung und optional auch im äußeren Durchmesser keine nennenswerten Durchmesserveränderungen erfährt, so daß innen oder außen durch geeignete geometrische Gestaltung eine Passung und optional zusätzlich eine Zentrierwirkung erreicht werden kann.With the embodiment described so far is achieved that Machine element independent of the spring force applied in the inner bore and optional also in the outer diameter experiences no significant changes in diameter, so that inside or outside through a suitable geometric design a fit and optional additionally a centering effect can be achieved.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:The invention is illustrated below an advantageous embodiment with reference to the attached Drawings described by way of example. Show it:

1 im Querschnitt eine Tellerfeder des Standes der Technik; 1 in cross section a disc spring of the prior art;

2 eine Erläuterung der Verformung des rotationssymmetrischen im Querschnitt U-förmigen Maschinenelements; und 2 an explanation of the deformation of the rotationally symmetrical machine element with a U-shaped cross section; and

3 eine mögliche Ausführungsform der Erfindung. 3 a possible embodiment of the invention.

In 1 ist eine Tellerfeder 1 im Querschnitt gezeigt, die z.B. auf einer Unterlage 2 ruht und auf ein zylinderförmiges Element 3 aufgesteckt ist. Die Tellerfeder 1 hat im unbelasteten Zustand, der mit ausgezogener Linie gezeichnet ist, einen rechteckförmigen Querschnitt und eine konische äußere Form. Wird die Tellerfeder durch eine Kraft F in Richtung der Pfeile 4 beansprucht, also in achsialer Richtung, so wird sie flachgedrückt, was mit gestrichelten Linien dargestellt ist. Wie zu sehen ist, ändern sich dabei die Innen- und Außendurchmesser der Tellerfeder 1. Ist die Tellerfeder in einem zylindrischen Raum angeordnet, so muß dieser einen ausreichend großen Durchmesser haben, damit sich die Tellerfeder radial ausdehnen kann. Dies bedeutet, daß sie sich als Ganzes in Radialrichtung verschieben kann, was im eingangs genannten Fall, daß sie in einer Spindel angeordnet ist, die hohen Drehzahlen ausgesetzt wird, zu großen Problemen führt. Aus diesem Grunde ist die Anwendung konventioneller Tellerfedern für spezielle Anwendungen mit Spindeln mit sehr hohen Drehzahlen ungeeignet.In 1 is a disc spring 1 shown in cross section, for example on a pad 2 rests on a cylindrical element 3 is attached. The disc spring 1 has a rectangular cross section and a conical outer shape when unloaded, which is drawn with a solid line. The diaphragm spring is pressed by a force F in the direction of the arrows 4 stressed, i.e. in the axial direction, it is flattened, which is shown with dashed lines. As can be seen, the inside and outside diameters of the plate spring change 1 , If the plate spring is arranged in a cylindrical space, it must have a sufficiently large diameter so that the plate spring can expand radially. This means that it can move as a whole in the radial direction, which leads to major problems in the case mentioned at the outset that it is arranged in a spindle which is exposed to high speeds. For this reason, the use of conventional disc springs is unsuitable for special applications with spindles with very high speeds.

In 2 ist erfindungsgemäß ein rotationssymmetrisches Maschinenelement 5 gezeigt, daß im wesentlichen einen U-förmigen Querschnitt aufweist. Dabei ist das undeformierte Element mit ausgezogener Linie gezeigt. Es weist in der Mitte eine Bohrung 6 auf, mit der es auf ein zylinderförmiges Element aufgesteckt werden kann. An den Enden der Schenkel 7 sind z.B. nach außen gerichtete ringförmige Vorsprünge 8 vorgesehen, an denen eine Kraft F in Richtung der Pfeile 9 angreifen kann. Wenn hier vom 'Schenkel' und 'Steg' die Rede ist, so sind die entsprechenden Objekte in der Querschnittsdarstellung der 2 und 3 angesprochen. Tatsächlich sind diese Objekte natürlich ringförmig. Bei achsialer Belastung nimmt das Maschinenelement 5 die mit gestrichelten Linie gezeigte Form ein. Es werden nicht nur die Schenkel 7 aufeinanderzu gedrückt, vielmehr verformt sich auch der ringförmige, relativ steife Steg 10, der jeweils die beiden Schenkel 7 verbindet, wie dies in 2 gezeigt ist. Dies führt zu einer geringen Änderung des Innendurchmessers des Maschinenelements. Erfindungsgemäß kann aber gezeigt werden, daß es stets zwei Stellen 12 oben und unten gibt, deren Innendurchmesser konstant bleibt. Diese Positionen 12 sind nur sehr geringfügig von der Belastung abhängig, werden aber durch die Abmessungen des Stegs 10 und der Schenkel 7 beeinflußt.In 2 is a rotationally symmetrical machine element according to the invention 5 shown that has a substantially U-shaped cross section. The undeformed element is shown with a solid line. It has a hole in the middle 6 with which it can be attached to a cylindrical element. At the ends of the legs 7 are, for example, outward annular projections 8th provided a force F in the direction of the arrows 9 can attack. If the term 'leg' and 'web' is used here, the corresponding objects are shown in cross-section 2 and 3 addressed. In fact, these objects are of course ring-shaped. With axial load, the machine element takes 5 the shape shown with the broken line. It won't just be the thighs 7 pressed towards each other, rather the ring-shaped, relatively rigid web also deforms 10 , each of the two legs 7 connects like this in 2 is shown. This leads to a slight change in the inside diameter of the machine element. According to the invention, however, it can be shown that there are always two places 12 above and below, the inside diameter of which remains constant. These positions 12 are only slightly dependent on the load, but are determined by the dimensions of the web 10 and the thigh 7 affected.

Erfindungsgemäß ist nun zusätzlich, wie dies in 3 dargestellt ist, vorgesehen, daß die Bohrung 6 in ihrem Mittelbereich tonnenförmig gewölbt erweitert ist. Die entsprechende muldenförmige Vertiefung ist in 3 bei 11 dargestellt.According to the invention is now additionally as in 3 is shown provided that the bore 6 in its central area it is expanded in a barrel-vaulted manner. The corresponding trough-shaped depression is in 3 shown at 11.

Sie kann auch eine andere – z.B. rechteckförmige – Form annehmen. Findet nun die Verformung durch die Kraft F in Richtung der Pfeile 9 statt, so wird diese muldenförmige Vertiefung 11 flacher. Selbst wenn in die Bohrung 6 ein zylinderförmiges Bauteil eingesetzt ist, kann sich das im Querschnitt stegförmige Objekt 10 im Mittelbereich auslegungsmäßig nicht an dieses Bauteil anlegen. Die Durchmesser an den Fußpunkten 12 der Schenkel 7 bleiben im wesentlichen konstant und werden bei typischen Maschinenelementen nur um ca. ±2 μm verändert. Somit kann die innere Bohrung als Passung ausgebildet werden.It can also take on a different shape, for example rectangular. Now find the deformation by the force F in the direction of the arrows 9 instead, this trough-shaped depression 11 flatter. Even if in the hole 6 If a cylindrical component is used, the cross-sectional object can be 10 By design, do not touch this component in the middle area. The diameters at the base points 12 the thigh 7 remain essentially constant and are only changed by approx. ± 2 μm in typical machine elements. The inner bore can thus be designed as a fit.

Wie erwähnt ist das erfindungsgemäße Maschinenelement nicht nur für Anwendungen als Federelement geeignet, sondern kann auch als verbesserte Tellerfeder eingesetzt werden. Infolge der Fähigkeit als Passung zu dienen, kann das Maschinenelement z.B. auch zu Dichtzwecken herangezogen werden.As mentioned, the machine element according to the invention not only for Applications suitable as a spring element, but can also be used as an improved Disc spring can be used. Because of the ability to serve as a fit, can the machine element e.g. can also be used for sealing purposes.

Werden erfindungsgemäß auch noch die Außenkanten 13 der Schenkel 7 geeignet abgerundet, so kann auch auf dieser Seite eine fast vollständige Lastunabhängigkeit der Außendurchmesser erreicht werden. Dann kann das Maschinenelement optional gleichzeitig zur Zentrierung benutzt werden.According to the invention, the outer edges are also 13 the thigh 7 suitably rounded off, an almost complete load independence of the outer diameter can be achieved on this side too. Then the machine element can optionally be used for centering at the same time.

In 3 ist das erfindungsgemäße Maschinenelement vereinfacht in rechteckiger Form dargestellt. Zweckmäßigerweise wird ein im industriellen Alltag eingesetztes Maschinenelement in allen Bereichen geeignet abgerundet sein. Die spannungsmäßige und lebensdauermäßige Auslegung wird üblicherweise mit einem geeigneten FEM-System durchzuführen sein.In 3 the machine element according to the invention is shown in simplified form in a rectangular shape. Expediently, a machine element used in everyday industrial life will be suitably rounded off in all areas. The voltage and lifetime design will usually have to be carried out with a suitable FEM system.

Claims

Elastic deformable, essentially rotationally symmetrical ring-shaped machine element with a central cylindrical bore with which it can be placed on a cylindrical component, characterized in that it is essentially U-shaped in cross section.

Machine element according to claim 1, characterized in that the central bore ( 6 ) through the crossbar ( 10 ) of the U runs.

Machine element according to claim 1, characterized in that the crossbar ( 10 ) of the U-shaped cross section is outside and the legs ( 7 ) point inwards.

Machine element according to one of claims 1 to 3, characterized in that the legs ( 7 ) of the U towards the circumferential edge.

Machine element according to one of claims 1 to 3, characterized in that the legs ( 7 ) of the U run parallel or arched inwards.

Machine element according to one of claims 1 to 5, characterized in that the legs ( 7 ) of the U at its ends an annular elevation extending in the axial direction ( 8th ) exhibit.

Machine element according to one of claims 1 to 6, characterized in that the crossbar ( 10 ) of the U is constricted (11) on the outside.

Machine element according to one of claims 1 to 7, characterized in that the ends of the legs ( 7 ) are rounded off (13) so that the smallest possible changes in diameter under axial load are possible on the outside.

Machine element according to one of claims 1 to 8, characterized in that one leg ( 7 ) has just been executed for the purpose of the system.

Machine element according to one of claims 1 to 9, characterized in that that the Inside and / or outside diameter of the machine element are designed as fits.

Machine element according to one of claims 1 to 10, characterized in that that it a suitable treated surface having.

Machine element according to one of claims 1 to 11, characterized in that the surface partially or completely is coated.

Machine element according to one of claims 1 to 12, characterized in that that the coated surface is elastic and can take over sealing properties.

Machine element according to one of claims 1 to 13, characterized in that that it has radial slots or depressions.

Machine element according to one of claims 1 to 14, characterized in that that the load-bearing part made of spring steel or another suitable linear-elastic Material is made.